一种实用的压力传感器测量电路

　　采用电桥构成测量差压的传感器电路，是一种具有较高灵敏度的测量方法。扩散硅变送器主要就是电阻有源惠斯登全电桥压力测量电路。它能在达到较高精度和稳定性的前提下，使变送器具有较强的实用性，如零点/量程的调整和迁移方便快速。但是，一些文献[1，2]对扩散硅电桥传感器的介绍过于简单，仅限于定性分析。本文将定量分析扩散硅传感器测量电路中采用的零点/量程调整、输出信号的反馈稳定等技术措施。


　　1 传感器电桥工作原理

　　传感器测量电路如图1所示。无差压时，电桥两臂电流相等。差压信号加到四个硅压敏电阻上，压敏电阻的阻值随差压而变化，引起电桥不平衡。电桥输出电压馈入放大器A1。A1的输出电压通过晶体管Q8改变输出电流I0的大小。I0流过电桥的电阻反馈网络，使电桥恢复平衡。这样，电桥输出电压的变化与差压变化成对应比例关系。从而将差压的变化直接转换成电信号。

　　2 定量分析和计算

　　2．1 测量电路和量程调整

　　图2是包括零点及量程调整电路、反馈电阻网络和差压传感电桥的测量电路。恒流源I0表示输出电流。四个桥臂电阻是R1S、R3S、R4S和R6S。当被测的正压力增加时，R1S和R6S阻值减小，R3S和R4S阻值增加，电桥的输出信号VBr负向增加。这个VBr对应于被测压力变化值的电压偏差信号。经过测量电路中负反馈电阻网络的作用，VBr信号将保持非常接近于零。

基本反馈电压公式是
Vfb=V1-V2=IO1[aR2+R1]


　　对应于传感器的量程上限压力，压敏电阻和电桥给出最大变化和最大不平衡。此时，为了保持VBr接近于零，需要最大的反馈电压值。当式（1）中a=1，IO2=0时，Vfb值最大，传感器得到最大的测量范围。量程粗调螺钉处于A位而R2滑动头处于最下部时，就满足以上要求。而当a=0，IO2最大时，测量范围最窄，这种情况是三颗粗调螺钉同时处于B、C、D位置，而R2滑动头又处于最上部。通过R2滑动头和粗调螺钉其他位置的组合，可获得中间的测量范围。R2有充分的调节范围，以便在由量程调整粗调螺钉对应不同的粗调范围之间提供重叠。


电桥输出处得到反馈电压Vfb的分量为


　　2．2 零点调整和迁移电路

　　图3是基本电桥电路加上迁移±100%的电路。电桥两侧中间各插入一个1000Ω的电阻串。这串电阻有六个电压输出点以提供所需的零点调节范围。即：

VBr=Vpress.signal-Vfb+Vsp (2)

由于Vfb近似等于零，于是有


　　式中，a由调零电位器R11上滑动触点的位置决定。从公式（4）可以看到，调零电位器和螺钉的不同位置对应于不同的Vsp，这就是输出零点能够被调整的原因。调零电位器处于上端时，a=1，Vsp最大。螺钉提供零位粗调，调零电位器提供零位细调。

作者：
苏州工艺美术职业技术学院（江苏苏州 215000） 施教芳
徐州师范大学工学院电气系（江苏徐州 221001） 陈传虎
苏州科技学院电子系 （江苏苏州 215000） 王 俭
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